超導納米線單光子探測器（SNSPD）憑借超高靈敏度、快響應速度的優勢，成為紅外單光子探測的優選方案。其中超薄鎢硅（WSi）超導薄膜可通過降低膜厚與臨界溫度，在7.8~12.5 μm長波紅外區間實現飽和內量子效率。但超薄超導薄膜本征光吸收能力弱，必須搭配光學腔結構提升光子捕獲效率。然而傳統SiO?、Si?N?等介質材料在長波紅外波段存在強烈本征吸收，無法構建高性能光學腔；同時光學腔制備過程易破壞超導薄膜表面形貌，劣化超導特性。
據麥姆斯咨詢報道，近日，南京大學的研究團隊依托絕緣體上硅（SOI）襯底，設計并制備硅基懸空薄膜法布里-珀羅（FP）光學腔。選用長波紅外低損耗硅作為腔主體材料，規避常規介質的紅外吸收問題，同時基于SOI平臺實現懸空結構，最大程度保留5 nm厚WSi超導納米線的超導性能。該方案成功解決了長波紅外光學腔選材難、超導膜兼容性差的問題，為高性能長波紅外SNSPD提供了全新的器件架構與工程方案。相關研究成果以“A Silicon Membrane Optical Cavity for Long-Wave Infrared Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors”為題發表在ACS Nano期刊上。
器件架構與超導納米線設計
器件基于商用SOI襯底制備，整體為垂直堆疊FP光學腔結構：底層為硅支撐襯底與埋氧化層，中間是厚度1.65 μm的懸空硅薄膜，薄膜上制備5 nm厚WSi超導納米線；向上依次沉積600 nm非晶硅（α-Si）層與100 nm金反射鏡，完整構成Si/WSi/α?Si/Au光學諧振腔。超導納米線采用雙并聯雪崩結構（2-SNAP）設計，有效感光區域尺寸為2×1 μm×50 nm，搭配阻抗漸變電極實現阻抗匹配，器件開關電流為2.25 μA。圖1展示了硅薄膜光學腔的設計及模擬結果。
圖1 硅薄膜光學腔
自由空間耦合系統
為完成長波紅外光譜與單光子性能表征，研究搭建300 mK極低溫自由空間耦合測試平臺，系統結構及探測器輸出信號如圖2所示。多級低溫屏蔽+梯度衰減片的組合方案，有效壓制長波紅外波段最強的室溫黑體輻射干擾；整套測試系統光路標定完整、信號鏈路穩定，為弱單光子信號的定量測試提供了可靠的實驗環境，解決了長波紅外探測測試的核心難題。
光子計數特性與物理機理分析
研究人員在不同波長下測量了光子計數率隨偏置電流的變化關系。實驗未采用窄帶濾光片，原因是這類濾光片會阻礙光譜測量，且經過數次制冷循環后便會損壞。實驗改為在低溫環境下放置多片光學衰減器，將室溫耦合引入的黑體輻射光子信號抑制至每秒千計數以下。扣除背景噪聲光子計數后，即可得到光子計數率（PCR）。圖3展示光子響應譜。
研究團隊結合漲落模型、常規熱島模型、擴散熱島模型開展理論擬合，推算出該款探測器本征截止波長可達約28 μm，具備向超長波紅外波段拓展的巨大潛力。
器件探測效率等表征
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c20784
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